Не только геометрические свойства, но и все физические явления не зависят от перемещений и поворотов

Лучи

Гамма лучи рентгеновские УФ ИК радиоволны

Видимое изучение

Все принципиально новые открытия, сделанные при построении электродинамики, не изменили представление о динамическом характере законов природы – связи между величинами, входящими в уравнения электродинамики, остаются однозначными, как в механике.

Шкала ЭМВ с условно выделенными диапазонами, в границах которых волны обладают заметным отличием свойств и применений:

10^-12 10^-9 (4-7).10^-7 10^-4 10^{- 3} , м

Диапазон видимого излучения – узкий отрезок в общем спектре ЭМ-излучения (его середина ~ 0,5 мкм – зеленый цвет).

Диапазон инфракрасного излучения:

· источники ИК-излучения – тела с температурой больше абсолютного нуля

· интенсивность определяется температурой тела

· зрительно не воспринимается, создает ощущение тепла, называется тепловым

· обеспечивает так называемый лучистый теплообмен между телами

· используется в приборах автоматики и дистанционного управления, приборах ночного видения, системах спутникового слежения

· на ИК-изображениях можно увидеть детали, неразличимые в видимых лучах непосредственно глазом – используется в космической и аэросъемке, медицине, криминалистике и т.д.

· интенсивное ИК-излучение используется и в технологических целях; источниками такого излучения служат мощные технологические лазеры или иные специальные устройства.

Диапазон ультрафиолетового излучения:

· УФ-лучи способны вызывать свечение (люминесценцию) ряда веществ – используется для нанесения меток и скрытой информации на документы и денежные знаки – УФ-лучи применяют для выявления этой информации

· разрушают биологические клетки (особенно наиболее коротковолновые).

Область радиоволн имеет несколько условно выделенных диапазонов (длинные, средние, короткие):

· радиоволны – эффективное средство практически мгновенной (в земных масштабах) передачи информации на большие расстояния

· с уменьшением длины волны увеличивается возможность «уплотнять» переносимую волной информацию, но при этом уменьшается способность волны огибать препятствия.

Диапазоны рентгеновского излучения и гамма-лучей:

· и те, и другие губительны для биологических объектов

· источники на Земле: рентгеновского излучения – рентгеновские трубки, гамма-лучей – радиоактивные элементы и ускорители элементарных частиц

· источники в Космосе – звезды, галактики; используются в астрофизике и астрономии для получения новой информации

· приборное и технологическое применение в медицине, дефектоскопии, полупроводниковой промышленности и микроэлектронике, научных исследованиях.

О «биополе» человека:

· ИК-излучение присуще каждому живому организму; максимум излучения человеческого организма приходится на длину волны 9,5 мкм; различные составляющие ИК-излучения исходят от разных источников в организме: кожного покрова (характеризует температуру кожного покрова), внутренних органов и мозга (несет информацию о динамике тепловых полей этих органов)

· помимо ИК-излучения, человеческий организм является источником слабых электрических и магнитных полей – дают представление о биоэлектрической активности сердца, мозга, мышц

· человеческое тело является также источником слабых акустических волн (в инфразвуковом диапазоне) – они обусловлены работой сердца, легких и др. органов

· в совокупности все перечисленные виды ЭМП и акустических волн составляют так называемое биополе человека

· иное понимание термина «биополе», связанное с представлениями о существовании загадочных, «неизученных», а тем более неких недоступных изучению полей нефизической природы неверно и лишено смысла.

4.5. Волновые явления.

Дифракция (разломанный) – огибание волнами препятствий:

· эффект заметен, когда размер препятствия меньше длины волны или сравним с ней

· если размер препятствия намного превышает длину волны – энергия волны распространяется прямолинейно

· дифракция света наблюдается при его распространении вблизи краев непрозрачных тел, сквозь узкие щели, отверстия и т.д.

· дифракционная картина – чередование световых максимумов и минимумов – результат интерференции световых волн.

Интерференция – взаимное усиление или ослабление когерентных волн при их наложении:

· когерентные волны – волны с одинаковой длиной волны и неизменной разностью фаз в точке их наложения («когерентность» - находящийся в связи)

· при столкновении волн гребни одного набора могут совпадать со впадинами другого набора (находятся «в противофазе») и таким образом подавляют друг друга

· например, радужная окраска мыльных пузырей вызвана отражением света от внешней и внутренней поверхностей тонкой водяной стенки пузыря:

ü белый свет состоит из световых волн различной длины, а значит, разного цвета;

ü гребни волн определенной длины, отраженные от одной стороны водяной стенки, совпадают со впадинами волн, отраженных от другой стороны;

ü цвета, соответствующие этим длинам волн, отсутствуют в отраженном свете, который поэтому кажется окрашенным.

Эффект Доплера – изменение длины волны излучения, наблюдаемое при движении источника волн относительно их приемника:

· при удалении воспринимаемая приемником длина волны увеличивается, при сближении – уменьшается по сравнению со случаем их взаимной неподвижности

· всем знакомо, как это явление действует на звук: чем меньше длина волны, тем большее число колебаний достигает нашего уха за секунду, и тем выше тон, или частота звука

· используется в авиации, космической технике, астрофизике.

4.6. Концепции дальнодействия и близкодействия.

Открытие ЭМП привело к важному изменению во взглядах на механизм взаимодействий в природе:

Суть концепции	Концепция дальнодействия –первоначальное представление о взаимодействии	Концепция близкодействия –альтернативная концепция
Взаимодействие между природными объектами осуществляется мгновенно через пустое пространство; пространство не принимает участие в передаче взаимодействия	Взаимодействие между объектами осуществляется посредством различных полей, непрерывно распределенных в пространстве, с конечной скоростью (так, всемирное тяготение тел осуществляется посредством гравитационного поля; взаимодействие электрически заряженных тел – посредством ЭМП).
Характеристика концепции	Простота, позволяющая ограничиться описанием только взаимодействующих объектов, исключив рассмотрение «переносчика взаимодействия».	Лежала в русле континуальной традиции, после становления квантовой физики представления о взаимодействии получили дальнейшее развитие и уточнение.
Область применения	Случаи, когда передачу взаимодействия можно считать мгновенной – если время осуществления взаимодействия много меньше времени, в течение которого изменяется состояние системы объектов

4.7. Двойственный характер классической физической картины мира.

Механистическую картину мира, сложившуюся в естествознании в 17-18 вееках благодаря успехам ньютоновской механики, в 19 веке дополнила электромагнитная картина мира, возникшая на основе достижений теории электричества и магнетизма.

С окончательным оформлением электромагнитной картины мира классический этап развития естествознания подошел к завершению. Итог – представление о существовании двух форм материи – вещества и поля - как совершенно независимых друг от друга, поскольку описывались двумя не связанными друг с другом фундаментальными теориями: механикой и электродинамикой.

Классическая физика давала образ двойственного мира, что свидетельствовало о недостаточной гармоничности сложившихся представлений о природе. Более того, обнаружилось противоречие между ключевыми положениями двух фундаментальных теорий – принцип относительности Галилея (механические процессы протекают одинаково во всех системах, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, т.е. не зависят от выбора инерциальной системы отсчета), играющий роль основополагающего постулата механики Ньютона, несовместим с экспериментально обоснованным представлением о постоянстве скорости ЭМВ (скорости света).

Решению этой научной проблемы способствовали идеи, выдвинутые на рубеже 19 и 20 веков Х. Лоренцем и А. Эйнштейном. Новые идеи вылились в создание теории относительности, венчающей все здание классической физики, дав при этом принципиально новые представления о пространстве и времени.

5. Концепция единства пространственно-временных отношений в природе.

5.1. Эволюция представлений о пространстве и времени.

Научные понятия пространства и времени обозначают фундаментальные формы описания упорядоченности материальных тел и процессов:

· понятие пространства описывает порядок сосуществования материальных объектов по признакам: «слева-справа», «дальше-ближе», «больше по размерам – меньше»

· понятие времени выражает порядок смены событий по признаку «раньше-позже».

Среди древнегреческих ученых были распространены два концептуальных представления о пространстве и времени:

1. пространство и время органически связаны с материей и самостоятельного, обособленного от материи существования иметь не могут

2. пространство существует само по себе, независимо от материи и является «вместилищем тел»; время – фон, на котором разворачиваются события.

Основы первого концептуального представления заложил древнегреческий ученый Аристотель – один из выдающихся умов античной эпохи (384-322 гг. до нэ), сторонник континуальных взглядов на материю. Немецкий ученый Лейбниц в 17 веке развил это представление, а дальнейшее углубление этой концепции уже в начале 20 века осуществил Эйнштейн в теории относительности.

Второе представление опирается на идеи древнегреческого мыслителя Демокрита (460-370 гг. до нэ), сторонника корпускулярной концепции строения материи. Английский ученый Исаак Ньютон развил эту идею до четкого представления об Абсолютном пространстве и Абсолютном времени, независимых друг от друга и не связанных с материей.

Ньютон дал первую математическую модель пространства и времени:

· это фон, на котором события разворачивались, но который они не затрагивали

· время было отделено от пространства и рассматривалось как единственная линия, железнодорожная колея, бесконечная в обоих направлениях

· само время считалось вечным в том смысле, что оно существовало и будет существовать всегда

В противоположность этому большинство людей полагало, что физический мир был создан в более или менее современном виде всего несколько тысяч лет назад. Это беспокоило философов:

· если Вселенная действительно создана, то зачем нужно было ждать целую вечность перед ее созданием?

· с другой стороны, если Вселенная существует вечно, то почему все, что должно было произойти, еще не случилось; иначе говоря, почему история еще не закончилась?

Но это было противоречием только в контексте математической модели Ньютона, в которой время представляло собой бесконечную линию, не зависящую от того, что случается во Вселенной.

Можно спросить: «Что делал бог до того, как он создал Вселенную?». Августин Блаженный (5 век н.э.), мыслитель, считавший, что времени не существовало до сотворения мира, говорил – это слишком серьезный вопрос, и не следует сводить эту тему к шутке: «Бог готовил ад для слишком любопытных».

Обычно под пространством мы понимаем некую протяженную пустоту, в которой могут находиться какие-либо объекты. Но эта «пустота» заполнена некоторым количеством вещества (частички пыли; воздух, состоящий из молекул). Поэтому в науке пространство – не «вместилище» материи, а физическая сущность, обладающая конкретными свойствами и структурой.

5.2. Свойства пространства и времени.

5.2.1. Трехмерность пространства.

Наше пространство трехмерно, т.е. имеет три измерения:

· французский ученый Рене Декарт (16-17 век) ввел прямоугольную систему координат – для определения положения тела в пространстве нужно знать три параметра: долготу, широту, высоту; или три пространственные координаты x, y, z

· геометрию («земля» - «мерить») трехмерного пространства построил древнегреческий математик Евклид (3 век до н.э.):

ü самая простая, пользуемся в повседневной жизни, связана с наглядными представлениями об окружающем мире (прямые линии – натянутые нити)

ü на ней построены школьные программы геометрии

· процесс углубления представлений о пространстве привел к другим геометрическим теориям отличным от евклидовой (например, геометрия сферических поверхностей Римана).

5.2.2. Симметрия предметов.

Симметрия многогранна, у нее много определений, видов, проявлений. Первоначальное значение – «соразмерность». Мы хорошо знакомы с симметрией предметов:

· обычно понимаем под этим словом зеркальную симметрию предметов (объектов) – левая половина предмета зеркально симметрична правой

· в общем смысле зеркальная симметрия обозначаетнеизменность предмета при отражении в зеркале

· другой хорошо знакомый вид симметрии предмета – центральная – неизменность предмета при повороте относительно центра (пропеллер, сфера без пометок на поверхности).

5.2.3. Симметрия явлений.

Симметрию в смысле «соразмерность» можно понимать не только как неизменность предметов, но и как неизменность физических явлений не только при отражении, но и вообще при какой-либо операции; например, при переносе установки из одного места в другое, при изменении момента отсчета времени. Для проверки зеркальной симметрии явления можно построить установку с деталями и расположением частей, зеркально симметричными относительно прежней: явление зеркально симметрично, если обе установки дают одинаковые результаты.

Как проявляется самая простая симметрия – однородность и изотропность (эквивалентность всех направлений) пространства?

· Любой физический прибор (часы, телевизор, телефон) должен работать одинаково во всех точках пространства, если не изменяются окружающие физические условия, - проявление однородности пространства.

· То же самое относится и к повороту прибора, если отвлечься от силы тяжести, которая выделяет на поверхности Земли вертикальное направление, - проявление изотропности пространства

· Это относится и к процессам в живых организмах; к поведению человека в ситуациях, где его реакция обусловлена врожденными программами биологического вида.

Эти замечательные свойства пространства использовались в глубокой древности, когда геометрия Евклида применялась на практике. Ведь геометрия как практическая наука имеет смысл, только если свойства геометрических фигур не меняются при поворотах и одинаковы и в Греции, и в Египте.

Геометрические теоремы, примененные к реальным физическим объектам, действительно выполняются с колоссальной точностью для тел любого размера, в каком бы месте мы их ни проверяли и как бы ни поворачивали тела. Это показали измерения, одно из которых провел «король математиков» Гаусс: он проверял, не отклоняется ли геометрия нашего мира для больших размеров от евклидовой – определял свойства треугольника, образованного вершинами трех гор.

Сейчас мы знаем: в масштабах Вселенной и вблизи тяжелых масс геометрия отличается от евклидовой; однако, эти отличия далеко за пределами точности измерений Гаусса.

Еще одна важная симметрия – однородность времени - все физические процессы протекают одинаково, когда бы они ни начались – вчера, сегодня, завтра.

Электроны в атомах далеких звезд движутся в том же ритме, что и на Земле – частота испускаемого ими света такая же, несмотря на то, что свет звезды был испущен миллиард лет тому назад.

Законы природы не изменяются и от замены времени на обратное: взгляд назад являет такую же картину, как и взгляд вперед. Так ли это? Мы видели, как яйцо, упавшее со стола, растекается по полу. Но никогда – как белок и желток собираются обратно в скорлупу. И тем не менее молекулы могут случайно так согласовать свои движения, что «самосборка» яйца произойдет, хотя вероятность ее осуществления ничтожно мала и ждать чуда пришлось бы гораздо дольше, чем существует Вселенная.

В простых системах явления такого рода действительно происходят с большой вероятностью: молекулы в малом объеме газа под влиянием столкновений то стекаются вместе, то растекаются, так что плотность только в среднем совпадает с плотностью газа.

Глубокий анализ подобных событий привел физиков к заключению, что «обратимость» времени существует не только в механике и электродинамике, где она прямо видна из уравнений, но и во многих других явлениях природы.

Важнейшая симметрия, оказавшая влияние на всю современную физику, была обнаружена в начале 20 века:

· уже Галилей (16-17 в.), итальянский ученый, нашел замечательное свойство механических движений:

ü они не зависят от того, в какой системе координат их изучать – в равномерно движущейся или в неподвижной

ü например, они одинаковы в вагоне движущегося поезда и на перроне станции

· голландский физик Лоренц в 1904 году убедился, что таким свойством обладают и электродинамические явления:

ü причем не только для малых скоростей, но и для тел, двигающихся со скоростью, близкой к скорости света

ü при этом выяснилось, что скорость заряженных тел не может превысить скорость света

ü результаты Лоренца означают инвариантность уравнений электродинамики относительно поворотов в пространстве-времени, т.е. в пространстве, в котором, кроме трех координат, есть еще одна – временная

· но самый важный шаг сделал Эйнштейн, обнаружив, что симметрия пространства-времени – ВСЕОБЩАЯ:

ü не только электродинамика, но ВСЕ явления природы – физические, химические, биологические – не изменяются при таких поворотах

ü ему удалось это сделать после глубокого и не сразу понятого современниками пересмотра наших привычных представлений о пространстве и времени.

Слово поворот надо бы заключить в кавычки – это не обычный поворот, при котором не изменяются расстояния между точками, например, расстояние от какой-либо точки до начала координат. В четырехмерном пространстве по четвертой оси откладывается время t, умноженное на скорость света c; поворот соответствуетнеизменности не расстояния до начала координат, а величины x²+y²+z² – c²t²; такой поворот обеспечивает постоянство скорости распространения света в разных системах координат.

Таким образом, все симметрии, которые мы до сих пор рассматривали, объединяются в одну – ВСЕОБЩУЮ: все явления природы инвариантны относительно сдвигов, поворотов, отражений в четырехмерном пространстве.

В обычном пространстве инвариантность относительно сдвигов и поворотов получается как частный случай: когда сдвиг не изменяет отсчета времени или когда вращение происходит вокруг временной оси.

Мы пока рассматривали пространственно-временные симметрии (или короче – пространственные). В физике последнего времени играют важнейшую роль так называемые внутренние симметрии. Одна из них – калибровочная инвариантность – обеспечивает, в частности, справедливость такого важного закона как закон Кулона – он определяет взаимодействие неподвижных точечных электрических зарядов.

5.3. Принципы симметрии и законы сохранения.

Существует поразительная и, вместе с тем, естественная связь между свойствами (или принципами) симметрии и так называемыми «законами сохранения». Всего их десять, некоторые из них: закон сохранения энергии, закон сохранения количества движения или импульса, закон сохранения электрического заряда, и др.

Важный вклад в установление связи симметрии и законов сохранения внесла немецкий математик Эмми Нётер – каждому виду симметрии соответствует свой закон сохранения:

· закон сохранения энергии – проявление симметрии природы относительно сдвигов во времени

· закон сохранения количества движения соответствует симметрии относительно сдвигов в пространстве

· закон сохранения момента количества движения – проявление симметрии относительно поворотов:

ü для частицы, двигающейся по окружности, момент равен произведению расстояния от частицы до центра вращения, массы и скорости частицы

ü для неточечных тел нужно сложить моменты отдельных, достаточно малых частей тела

ü пример – вращение фигуриста на льду: приближая руки к телу, они уменьшают расстояния до оси вращения и в силу сохранения момента увеличивают скорость вращения.

Таким образом, законы сохранения выполняются во всех явлениях природы, они вытекают из всеобщего свойства нашего мира симметрии пространства и времени. Любой процесс, при котором нарушился хотя бы один из законов сохранения, невозможен, т.е. эти законы работают как принципы запрета. В этом качестве законы сохранения играют важную методологическую роль в естествознании, являются мощным инструментом теоретического исследования процессов, происходящих в природе от микромира до космических явлений.

5.4. Концепция единого пространства-времени в теории относительности.

До конца 19 века считалось, что пространство заполнено эфиром (в греческой мифологии «эфир» - верхний лучезарный слой воздуха) – некоей сплошной упругой средой. Если бы свет был волной в упругом веществе, называемым эфиром, его скорость казалась бы выше тому, кто движется на космическом корабле навстречу свету (а), и ниже – тому, кто движется в том же направлении, что и свет (б).

Однако в ряде экспериментов эти представления не удалось подтвердить. Наиболее точный и корректный из них осуществили в 1887 году американские ученые Альберт Майкельсон и Эдвард Морли - они сравнили скорость света в двух лучах, идущих под прямым углом друг к другу:

· в интерферометре свет источника расщеплялся на два луча

· лучи двигались перпендикулярно друг другу, а потом объединялись вновь

· разница в скорости лучей света, движущихся в двух направлениях, могла бы привести к тому, что гребни волн одного луча пришли бы одновременно со впадинами другого и взаимно погасили друг друга.

Поскольку Земля вращается вокруг своей оси и обращается вокруг Солнца, скорость и направление движения аппаратуры сквозь эфир меняется. Но Майкельсон и Морли не обнаружили ни суточных, ни годичных различий в скорости света в двух лучах. Получалось, будто свет всегда движется относительно вас с одной и той же скоростью независимо от того, как быстро и в каком направлении движетесь вы сами.

В статье, написанной в 1905 году, Эйнштейн отметил, что если никто не может определить, движется он сквозь эфир или нет, то само понятие эфира становится лишним. Вместо этого он начал с постулатов:

1. Законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей. В частности, все они, измеряя скорость света должны получать одну и ту же величину, с какой бы скоростью ни двигались сами.

Дата добавления: 2014-01-11